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                    高性能無紙記錄儀的研制流程與方案

                    更新時間:2022年12月05日

                    一、概述

                    工業上常常需要記錄溫度、壓力、流量等信息,常規模擬記錄儀由于功能少、體現單一、需要記錄筆的缺點,正被無紙記錄儀取代。

                    作為一款以微處理器為核心、集液晶漢字與圖形體現為一體,具有無紙記錄、實時性好、通用性好、精度高、帶通信功能的智能化儀表,其市場廣闊。目前許多廠商正將目光聚焦于無紙記錄儀的彩屏化、大容量存儲、超大屏幕液晶體現等功能;然而對于用戶來說,zui關心的是精度與可靠性、性價比等儀表的綜合性能,因此研究此類標題尤為關鍵,紹興中儀依據市場調查信息研制開發了高性能無紙記錄儀,提高了整體性能與可靠性。

                    二、設計方案

                    如下圖1,來自外部傳感器的模擬信號(壓力、溫度、流量等)經過前端處理后進行A/D轉換,經過信號隔離后送入單片機完成數據處理,由LCD體現當前的壓力、溫度、瞬時流量、累積流量等信息。通過鍵盤操作,可在各界面之間切換,分別體現各通道的實時、歷史數據及曲線、報警情況、斷電情況,以及每月、日、年度的累積流量。另外,提供通訊功能,可以通過和上位機通過串行口讀寫參數與運行數據,實現打印等信息交互。

                    三、硬件組成

                    如圖1,高性能無紙記錄儀由信號采集、MSP430F149(以下簡稱430)、液晶體現及鍵盤、數據存儲、實時時鐘、通訊等模塊組成。

                    3.1MSP430F149單片機

                    MSP430F149是具有60K閃存ROM、2K RAM、 6個端口、2個16位計數器、兩路UART通信端口、具有端口和計數等多種制止模式、5種省電模式的高集成單片機,特別適用于復雜儀表系統的開發。

                    3.2信號采集模塊

                    外部信號有標準電流、電阻、mV電壓、頻率信號等。當為模擬量時,為提高測量精度采用了4通道差分輸入、自帶儀表放大器、濾波器的16位精度、 SPI接口的AD 芯片CS5523芯片,通過光耦隔離后和430進行通信。如圖2(a)、(b)、(c)分別是輸入為電流、熱電偶mV電壓、熱電阻信號時的處理電路。其中當熱電阻輸入時,采用高精度雙路精密電流源REF200提供,zui終接入AD 采樣端的信號U=UAN+-UAN-=(Rt+2r)I0-(R0+2r)I0=(Rt-R0)I0,可見消除了熱電阻導線電阻r的影響,保證了較高的測量精度。當頻率輸入(如渦街流量計輸出)時,采用光耦隔離后輸入430的TIMERA計數模塊進行脈沖計數。

                    3.3液晶體現與鍵盤模塊

                    高性能無紙記錄儀采用3V、并口輸入128*64點陣形液晶模塊JM12864,實現圖文的綜合體現。采用2*3線接口,共6個按鍵,分別為前后追憶、通道、時標、確認、翻頁,通過弱上拉和430的P2口相連,采用上升沿觸發的方式產生制止通知430進行處理。

                    3.4數據存儲模塊

                    為方便保存儀表參數,了解工藝參數歷史,采用了兩片EEPROM存儲器24C512。一片用于存儲通道運行數據,另一片用于分區存儲密度、漢字及字符字模數據、系統參數、記錄時間、掉電情況等信息,兩片存儲器通過弱上拉電阻并聯于同一總線上。

                    3.5實時時鐘模塊

                    為了記錄系統的掉電、當前時刻下的日、月、年累積流量,需要實時時鐘信號。這里采用通用ds1302芯片作為時鐘信號,由法拉電容作為備份電源。

                    四、軟件設計

                    4.1 系統主程序及制止

                    如圖3,主程序以檢測時間間隔為主線,分別進行流量計算、實時信息記錄等操作,同時處理各外部事件。如圖4,制止程序檢測各種制止(由TIMERB連續計數提供的0.5s采集定時、鍵盤、通信等制止),進行必要處理后記錄此信息,發送標志到主程序等待處理。

                    4.2 數據采集

                    將芯片復位,檢測并設定Configuration寄存器(包含轉換模式、復位標志、放大器截止頻率等參數),CSR(Channel- Setup寄存器,包括內部放大器增益、數據傳輸速率、通道、輸入電壓極性等設置)后,發送啟動轉換命令,等待轉換完成(完成后SDO線會自動變為0)。需要過細的是在系統在高電平時讀數,低電平時鎖存數據,必須嚴格保證系統時序,否則將引起讀寫錯亂。

                    4.3 流量計算

                    先根據流量模型(開方、線性等)得出流量計在工業狀況下的體積流量,一般需要轉化為工業標準狀況下的流量,這里根據儀表設置中的流量補償模式(一般氣體,、溫度/壓力補償、過熱蒸汽、飽和蒸汽等),查表得到密度,計算標準流量,提高精度

                    4.4 液晶體現

                    包括數據和曲線體現,是通過將相應液晶點寫為1或0(亮或暗)實現的。128列*64行點陣LCD在體現時是以字節方式進行操作的,一次寫入1 列8行(共8個點),因此在數據體現時,首先要將字符所對應的字模數據,以從左到右、從上到下(列序)的取模方法順序寫入表格中。在體現時查表將字模數據依次寫入LCD即可。在體現曲線時,通過兩點之間連折線的方式進行,其過程如圖5、圖6所示。

                    4.5 鍵盤處理

                    負責界面切換(流量體現、實時/歷史曲線、設定模式等界面)、菜單選擇、參數設置(包括通道類型、量程、切除、報警設定,流量模型及系數K設定,流量補償模式及公式參數值設置,通訊參數設置,密碼設置,時間設置等)。

                    五、設計關鍵

                    5.1 合理的程序流程

                    (1)消息機制:系統需要處理的事件較多,有各種制止,若制止處理時間過長,則會使系統不能及時進行其它處理,導致系統錯誤。如若將流量計算程序置入數據采集定時制止處理程序中時,無意會使系統很難完成正常的串行通信。在此借鑒了WINDOWS系統消息處理機制,如4.1所述,即當系統發生外部制止時,只是進行很少的必要操作,然后將該制止作標記,由主程序空閑時檢查此標志。

                    (2)菜單處理:將菜單按深度進行定位,系統共有三級菜單用Step[3]吐露體現,根據Step[i]值判斷當前菜單位置,增強軟件的條理性。

                    5.2 數據存儲聽從

                    儀表要記錄的通道歷史數據較長,在有限的存儲空間應高效利用所有存儲區域。這里采用記錄各通道數據占通道量程比例的方式來壓縮數據,將比例限定在0-65535之間(2個字節,對應0-100%)。對于數據要求不高的場合設定采用1個字節來吐露體現。經多次實驗知,可有效拓展記錄長度。

                    5.3 數據運算的速度與精度

                    (1)雖然430可以進行浮點運算,但運算將會消耗大量資源,而且浮點數一般只能保留7位有效數字,因此在進行大數和小數運算時,會丟失許多有效位,使結果極不精確。筆者采用長整數記錄有效數字,字符整數記錄小數點位置組合表達數據的方式進行運算,有效提高了速度和精度。

                    (2)當外部信號為頻率輸入時,應將TIMERA配置為zui大連續計數方式,僅在計數溢出后清除溢出標志,然后根據前后1s內兩次脈沖之差(考慮是否溢出)得出脈沖數,否則可能會丟失脈沖。

                    (3)采集數據的精確性是影響精度的緊張因素,必須保證CS5523參考電壓的精度,并要求在電源穩定后采樣;在進行通道切換后應把di一次轉換結果拋棄,否則將會引起很大的干擾誤差。即便如此,由于電路噪聲、標準電阻使用環境及接線的影響無意還會導致采樣不準,此時需要采用CS5523自身的校驗方式去除失調電壓,并通過軟件進入校驗模式,采用標準輸入信號進行標定。

                    5.4 系統的可靠性

                    采取了以下實用的措施保證可靠性:

                    (1)干擾緊張是通過電源和外部輸入引入的,為防止系統意外重起或死機,這里采用電源濾波器和光電耦合隔離的方式。

                    (2)采用看門狗保障系統在故障情況下自動恢復運行[。

                    (3)在對LCD和EEPROM寫入數據后,立刻讀出所寫數據進行校驗,保證數據傳輸正確。

                    (4)采用內部備份電源,掉電后自動保存所有數據并進入休眠狀態。

                    (5)理清程序結構,采用模塊化方法提高可移植性。

                    5.5 系統的適應性

                    由于工業測量介質的多樣化,介質標準密度表不盡相通,而且隨著傳感器技術的不斷進步,可能出現新型熱電偶或熱電阻。為增強系統的靈活性,在軟件上預留分外的輸入類型,只要將設定在廠商模式下,即可通過串口向內部EEPROM寫入密度或分度表數據。

                    五、結論

                    本文作者創新點:以提高系統精度、可靠性和易用性為設計核心,采用了高精密自校驗的采集方案,軟件上借鑒了WINDOWS的消息機制,提出了采用整型數據代替浮點數運算等提高速度和聽從的方案,并開放內部表格提高了系統的靈活性。通過實驗發現整機的精度可達到0.2%以上,且具有較好的人機接口、適應性和可靠性,因此應用前景廣闊。

                    參考文獻

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                    2、朱崢.消除渦街流量計的使用障礙.計算機測量與控制,2002,10:448-490

                    3、汪里邁,紀綱.蒸汽流量測量中的溫壓補償實施方案.石油化工自動化.1998,3:39-42

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